5分鐘看懂中國最新的量子計算機

撰文 | 恰比（Sheldon）

美指 | 牛貓（Sheldon）

繪製 | 鑒賞（Sheldon）

圖片來源：Sheldon

阿基米德說過：「給我一根槓桿，我能撬動地球」

那麼問題來了：為了承受地球的重量，這根槓桿得多粗多長？

同樣的道理，在計算機科學家眼中，給他一台傳統計算機，就能對一切任務進行運算。只不過有些任務比較複雜，運算時間有點兒長。

圖片來源：Sheldon

所以，從實踐的角度講，傳統計算機不是無所不能的。在執行某些特殊任務時，它是「無能為力」的。比如：在2010年，MIT的計算機科學家阿倫森和阿爾希波夫提出，在一種類似於高爾頓板的量子光學系統中，進行「玻色採樣」的任務，傳統計算機就搞不定。

圖片來源：Sheldon

在這種量子光學系統中，光子就相當於彈珠，多光子干涉儀相當於釘板，單光子探測器負責查看光子從哪個口子跑出來。

圖片來源：Sheldon

玻色採樣看似是個普通問題，可一旦牽扯到量子力學，很多違反直覺的「幺蛾子」突然就冒出來了！

幺蛾子一：波粒二象性

在量子力學中，光子既是一種粒子，又是一種波。一束波遇到障礙之後，既會透射，又會反射，所以，光子遇到分束器時，既會透射，又會反射，會同時從兩側跑出來。

圖片來源：Sheldon

幺蛾子二：不可區分性

兩個光子的情況就更複雜了。兩個光子可能完全一樣，你根本區分不了誰是誰。

圖片來源：Sheldon

幺蛾子三：多光子干涉

在同時經過分束器的時候，光子的"分身"們，有可能會相互疊加，也有可能會相互抵消，最終結果很難一句話說明白。

圖片來源：Sheldon

幺蛾子四：採樣時波函數坍縮

當光子遇到出口的探測器時，就會突然收起波動性，展現出最初的粒子性。一開始有兩個光子進來，最後只能讓兩個光子出去，其餘的「分身們」都必須消失，這就是量子力學中的波函數坍縮。

圖片來源：Sheldon

總之，玻色採樣，就是N光子跑進去，隨機從其中N個出口跑出來的過程。這個過程全部歸量子力學管。

圖片來源：Sheldon

阿倫森和阿爾希波夫證明，用傳統計算機解決這個量子問題，採樣的時間會非常長。

如果一共有N個光子參與實驗，傳統計算機的採樣時間，就會呈N2×2N的規律增加，比直接做玻色採樣實驗慢得多。

而如果量子光學實驗設計得合理，肯定比傳統計算機的速度快。

圖片來源：Sheldon

所以，這個實驗裝置本身，可以稱之為一種光量子計算機。而它「計算」的內容，正是對輸出光子的分布進行採樣。

如果光子的數量達到50個，在傳統計算機看來，計算量就會增加到3百億億次！即使你用上目前的超級計算機，都不可能很快完成一次玻色採樣，只能直接在裝置上做實驗。這就是一種「量子優越性」。

圖片來源：Sheldon

實驗裝置說起來容易，但實現起來卻十分困難。比如，怎樣才能幹凈利落地

產生單個光子？怎樣讓產生的光子不可區分？怎樣才能降低玻色採樣的損耗？

「量子ENIAC」

2017年5月，這些難題被中科大潘建偉、陸朝陽研究組攻克了。

圖片來源：Sheldon

如果利用這個裝置，對三個光子進行玻色採樣，採集一個樣本只需要0.2毫秒。跟國際上其他同行類似的實驗相比，這個速度快了24000倍。

同樣的任務，如果由世界上第一台傳統計算機ENIAC通過計算完成，則至少需要44毫秒。可以說，在這個特定的任務上，量子計算機獲得了勝利。

圖片來源：Sheldon

不過，目前這個裝置，只嘗試了5個光子的實驗。若想秒殺超級計算機，還需要50個光子的實驗，科學家們還需要努力。而且，玻色採樣裝置，只能做玻色採樣，無法執行其他計算任務，是一種非通用的量子計算機。

圖片來源：Sheldon

不過，造出玻色採樣裝置，也為製造通用量子計算機掃清了重要的技術障礙。因為高品質單光子源、高效率干涉儀等，都是它通用的最核心部件。

除了光學裝置之外，科學家還藉助了很多手段，嘗試實現量子計算。例如離子阱、核磁共振、量子點、核自旋和超導等等。

10個量子比特的量子糾纏

2017年3月，朱曉波、王浩華和陸朝陽、潘建偉合作，利用超導的方法，製作了一個量子處理器，還讓10個量子比特形成了量子糾纏。

圖片來源：Sheldon

在這個超導量子處理器中，電磁波有兩種能量不同狀態。一種狀態表示比特0，一種狀態表示比特1。

根據量子力學的原理，超導電路可以處於既是0又是1的疊加狀態，這就是傳說中的量子比特。

圖片來源：Sheldon

量子計算機的優勢是：當它有N個量子比特時，由於狀態相互疊加，它最多可以同時處理2N個狀態！

圖片來源：Sheldon

不過，量子比特越多，製造難度就越大。在此之前，科學家在超導量子計算中，只能完全操控9個量子比特。而在這個超導量子處理器中，中國科學家做到了讓10個量子比特形成了最大程度的糾纏態。

圖片來源：Sheldon

一個計算機的運算過程，就是操縱比特的過程。讓10個量子比特產生糾纏，說明中國科學家能夠完全操控這10個量子比特。

這兩個量子計算機的成果，讓中國科學家們在通向更高級的量子計算的路上，邁出了重要的不可或缺的一步。在未來，要想用上實用的量子計算機，我們還有很多路要走。

期待那一天早日到來！

版權聲明：

本文原載微信公眾號《墨子沙龍》，《知識分子》獲授權刊載。

製版編輯：陳婧嫻丨

本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！